数字信号处理研究型实训课程的教学探索与实践

林连冬

(黑龙江大学电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

随着大学毕业生就业形势的改变，在新的世纪里高等教育除了注重培养理论基础扎实的学生外，还要注重培养学生的实际动手操作、知识的综合运用、独立解决问题，以及科技论文写作等能力，才能培养出满足社会需要的实用型人才[1]。因此，实训教学作为提高学生分析问题、解决问题的能力和培养学生创造性思维的重要手段，受到越来越多的重视[1，7]。

为了满足培养应用型人才的需要我校电子工程学院的各个专业从2010年开始研究设立符合各专业特色的电子类实训课程，其目的就是把各专业的主干课程联系起来，理论联系实际，让学生通过独立完成一个完整的电子系统开发实验加深专业知识的理解，培养实际操作能力。本文以电子信息科学专业的DSP技术实训课程为例，从电子类专业实训课程的题目设计原则、实验课程内容设计、实训类课程教学考核方法以及教学经验，教学中的不足和改进方案等方面进行了阐述。为今后开展各类研究型实训课程的教学工作进行了有益的探索与实践[8]。

1 DSP实训课程题目设计原则

首先依据我校电子工程学院的办学特色，并根据我校电子工程学院的师资、教学科研、实验室建设情况及社会对信息类人才的需求等情况，确定了我院电子信息科学专业才培养模式:即培养电子系统设计及信号与信息处理方向的专业人才。培养学生熟悉电子系统的设计理论、设计方法、信号与系统的基础理论，掌握各类信息获取、处理、传输等技术。能够熟练地使用数字信号处理器、数字信号仿真分析工具，掌握常用的电路系统开发工具同时具备较强的工程设计和开发应用能力[2]。

DSP实训课程题目设计的首要原则是要符合我院电子信息科学专业的人才培养方案。其次还应该结合DSP实验室的特点来制定，DSP验室主要是通过面向现代数字信号处理工程的教学实验，突出技术实用性和现代性等特点，切实提高学生的工程应用能力与科技创新能力。最后题目的设计还应该体现在课程体系中的不同课程之间的相互关联性，这样才能更加接近实际应用，锻炼和提高学生对知识的综合运用能力。

由于DSP实训课面向大三学生开设，在此之前学生们已经学习过“信号与系统”、“模拟电路”、“数字电路”、“数字信号处理”、“数字电路”、“微机原理”等专业课程。按以上原则选择的实训题目是基于DSP技术的DTMF信号产生与Goertzel检测算法的实现[3]。

2 DSP实训课程内容的具体设计

双音多频 DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)信令，具有很强的抗干扰能力和较高的传输速度，可以在数据通信系统中广泛地用来实现各种数据流和语音等信息的远程传输。

将DTMF信令的产生与检测工作集成到一个基于数字信号处理器(DSP)的系统中，是一个能够综合训练数字信号处理系统设计能力的实训题目[4]。

DSP实训的教学环节主要包括:① DTMF信号的产生算法原理——数字振荡器的设计原理，DTMF信号的检测原理——Goertzel检测算法原理;② 基于Matlab2012的DTMF信号产生与检测算法GUI仿真程序设计与验证;③基于TMS3205402的硬件系统设计;④基于CCS500的DSP程序设计和验证;⑤系统调试等内容。下面讨论教学中的一些关键问题。

2.1 DTMF信号产生原理

DTMF编码，将8个频率分为高频群和低频群两组，分别作为列频和行频，每一个按键的频率模式由来自于列频和行频的两个频率叠加而成。DTMF信号的生成方法有三种，计算法、查表法和数字正弦振荡器。用计算法求正弦波的离散序列值程序设计容易，但实际应用时会占用计算时间，使系统运行速度变慢。查表法是先通过Matlab将正弦波的序列值计算出来并寄存在存储器中，运行时只要按顺序和一定的速度取出便可。这种方法要占用较多的存储空间，但是速度快。第三种方法是利用数字振荡器来实现不同频率信号的叠加，这种方法通过迭代的方法计算出不同频率的正弦信号序列，结构简单，运算速度快，节省内存，因此在实际应用中我们选择了这种方法[6]。

数字振荡器的本质是，使用一个 IIR(Infinite Impulse Response)滤波器，通过把它的极点放在单位圆上面来产生振荡[8-15]，

可以得到正弦序列x(n)的z变换为:

式(2)设计一个二阶IIR滤波器，使其系统传递函数就是正弦序列x[n]的z变换。系统传递函数为:

由传输函数得出该系统为二阶系统，在单位圆上有2个复共辄极点，由极点位置可以得出，系统的单位脉冲响应为一恒定幅度的振荡信号，即所需的正弦信号。由系统函数求得差分方程:

式(4)是一个二阶差分方程，其单位冲激响应就是sin wt。由式(3)可得数字振荡器系统流程图如图1所示:

图1 数字振荡器系统流程图

2.2 数字振荡器的设计和仿真验证

由式(3)可知，系统参数如下:

式中:f0为输出信号的频率;k为正弦信号的幅值;fs为采样信号频率(8 kHz);w0为归一化数字频率。

根据上面的参数，代入输出信号的频率可以得到产生不同频率正弦信号所需要的参数(见表1)。

表1 数字振荡器参数表

基于CCS500的数字振荡器DSP调试结果如图2数字按键‘1’的产生仿真图所示，其中(a)图是697 Hz+1 209 Hz的时域图形(即代表数字按键‘1’);图(b)是频谱图结果。通过图2可以看到仿真结果和预期结果一致。

图2 数字按键‘1’DTMF信号产生仿真图

2.3 DTMF信号的检测算法实验结果验证

DTMF信号检测算法即是对输入信号进行频谱分析并从中搜索出有效的行频和列频。计算数字信号的频谱可采用DFT及其快速算法FFT而采用Goertzel算法要比FFT更快。因为对于DTMF信号只用关心其8个行频/列频及其二次谐波信息即可(二次谐波的信息用于将DTMF信号与声音信号区别)。此时Goertzel算法能更快速地在输入信号中提取频谱信息。

Goertzel算法的系统差分方程:

系统的输出方程:

因为只需要知道被检测信号谱值的信息，所以对式(5)取模，得到式(6)。可以看到，在实际的运算中已经不包含复数运算。

DTMF信号检测的仿真图如图4所示。

图4 DTMF信号检测图

DTMF系统的输入信号是由矩阵键盘得到的信号，输出的判断结果由液晶显示器进行显示，这里矩阵键盘的读取与控制我们采用HD7279A芯片，HD7279A是一款具有SPI串行接口的器件，可直接驱动8位共阴式数码管及管理最多64键键盘，单片即可完成LED显示和键盘接口的全部功能，大大简化电路设计，占用资源极少。液晶显示采用LCM12864芯片，为了减少系统电路的复杂性，以及系统的灵活配置，我们采用CPLD芯片作为外围芯片与TMS54C02之间的连接控制芯片。由于篇幅的限制，这里我们不再对电路功能和原理进行阐述[5]。

3 DSP实训课程的考核方法

参与实训课程的班级有40名学生，为了能够对每一个学生的学习效果进行有效的监督和考核我们采取了如下方法:

(1)分组考核制。把学生按照4人一组分成10组，以小组为单位独立完成设计。每个小组成员负责一个方向的工作。比如，1个同学负责Matlab程序设计，另外1个负责CCS程序开发及设计，第3个同学负责电路设计，最后1个同学负责FPGA程序开发及撰写报告。

(2)考核形式。为了使每个同学都能够在实验中有所收获，除了按照最后的报告给成绩外，我们还要求每个小组的学生都要以答辩的形式进行考核。

(3)考核成绩。考核总成绩由平时成绩+作业成绩+答辩成绩等三部分组成，所占比例分别为10%，40%，50%。所以答辩成绩对于学生来说非常重要，因此也就督促学生们在上课时更加认真的准备。

4 教学中的不足和改进方案

经过一个学期的教学工作，我们总结出工作中存在以下一些不足和待改进的地方，以及改进方案。

(1)实验题目数量不足。从效果上看不能完全的保证杜绝不同组之间进行抄袭的现象，解决方案:开发更多的实验题目，比如数字滤波器，数据采集等，最好是保证每一组都有不同的任务。

(2)实验学时的限制。应该让每一个组员都能够熟悉并动手实践软件设计，硬件设计，报告撰写等工作，但由于学时的限制，现在每个人只能完成整个设计的一部分工作。解决方案:增加实验学时。

(3)互动不足。由于实训实验属于开放性实验，大多数时间都是由学生自主学习，并完成设计，因此在遇到问题时，不能及时求助老师。解决方案:建设实验教学网站，在网站上发布学习计划，各种资料，并回答学生的问题，对论文设计工作进行在线指导。

5 结语

讨论了综合实训类课程合理的设计实验题目，规划实验内容，完善实验考核形式的重要性。并且通过基于DSP的DTMF信号检测系统设计这个完整的例子，解释了综合实训类实验课程的教学过程和教学方法。通过一个学期的实训课程教学，我们发现这种综合设计性的实训类课程非常受学生的欢迎，激发了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果，同时也激励我们开发更多地综合性实训类的实验题目，满足学生们的学习愿望。

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